eng
Выпуск #5/2012
А.Григорьянц, А.Грезев, В.Грезев
Лазерная сварка сталей больших толщин с применением мощных оптоволоконных и СО2-лазеров
Лазерная сварка сталей больших толщин с применением мощных оптоволоконных и СО2-лазеров
Просмотры: 4847
Приведены экспериментальные данные по физике взаимодействия лазерного излучения с плазмой, сопровождающего процесс лазерной сварки. Рассмотрены СО2- и оптоволоконные лазеры. Показаны условия, при которых процесс сварки протекает наиболее эффективно, также влияние интенсивности лазерного излучения, скорости сварки, марки металла на эффективность процесса. Приведены конкретные примеры характера проплавления металла и свойства сварных соединений.
Теги: lasers laser welding mechanical properties plasma radiation intensity steels welded joint welding bath интенсивность излучения лазерная сварка лазеры механические свойства плазма сварной шов сварочная ванна стали
Лазерные технологии за последние 30 лет прошли путь от лабораторных экспериментальных работ до промышленного применения. В настоящее время десятки тысяч единиц лазерного оборудования работают на промышленных предприятиях. Особенно широкое применение нашли такие технологические процессы, как лазерная маркировка и лазерная резка.
Лазерная сварка металлов также занимает достойное место в различных производственных отраслях. Отработаны, например, технологические процессы сварки шестерен коробки передач автомобилей ЗИЛ и ВАЗ, изготавливаемых из сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ (рис.1). При этом достоинства лазерной сварки как прецизионного процесса были подтверждены замерами, которые показали практически нулевые остаточные послесварочные отклонения размеров от заданных значений в чертежах на шестерни. Показатели механических свойств сварных соединений находились на уровне основного металла. Данная технология внедрена на ОАО "АВТОВАЗ" в 1992 году, с момента начала поставки лазерного оборудования.
Другим важнейшим направлением эффективного применения лазерной технологии является сварка нержавеющих труб (рис.2), которая позволила увеличить производительность сварки в 10 раз по сравнению с аргонодуговой сваркой. Результаты испытаний лазерных сварных соединений на сталях 08Х18Н10Т, 08Х18Т1, 08Х18Н10 по механическим показателям и коррозионной стойкости находились на уровне основного металла. Данная технология внедрена на Новомосковском трубном заводе Днепропетровской области.
Однако лазерная сварка металлов толщиной от 12 до 100 мм, выполняемая на лазерах мощностью в несколько десятков киловатт, до настоящего времени сопровождается проблемами в работе. Это связано, прежде всего, с недостаточной изученностью физических процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с газовой средой, возникающей при сварке, и с жидким металлом сварочной ванны.
Преимущества лазерной сварки больших толщин в сопоставлении с дуговой сваркой под флюсом и электрошлаковой сваркой очевидны. Лазерная сварка выполняется без разделки кромок, за один проход на всю свариваемую толщину, без применения дорогостоящих флюсов, без большого потребления присадочной проволоки. Свойства лазерных сварных соединений, как показывает практика сварки малых толщин (≤10 мм), обычно находятся на уровне основного металла. В связи с этим результаты исследований по лазерной сварке сталей толщиной от 12 до 50 мм интересуют многих специалистов. Полученные результаты исследований позволяют оптимизировать плазменные процессы, сопровождающие лазерную сварку, а также металлургическое взаимодействие, происходящее между лучом лазера и расплавом в сварочной каверне, как на СО2-лазерах, так и на оптоволоконных лазерах производства IPG НТО "ИРЕ-Полюс".
Установлено, что при лазерной сварке белой жести при интенсивности лазерного излучения 2∙106 Вт/см2 удалось достичь скорости сварки Vсв. = 20 м/мин. При этом с увеличением скорости сварки более 10 м/мин наблюдалось уменьшение размеров плазмы над сварочной каверной, а на скорости сварки свыше 20 м/мин стабильность формирования сварного шва стала неустойчивой. При скорости сварки 25–27 м/мин периодически стало наблюдаться исчезновение свечения плазмы. И в местах ее исчезновения прекращались и плавление металла, и формирование сварного шва. Увеличение интенсивности выше 107 Вт/см2 позволило довести скорость сварки до 60 м/мин. Эти данные еще раз подчеркивают, что варьированием скорости сварки можно воздействовать на температуру плазмы и обеспечивать наиболее эффективное использование энергии лазерного излучения на плавление металла, минуя его поглощение и рассеивание плазмой. В работах [1, 2] достаточно полно представлены условия, при которых лазерная сварка протекает стабильно с качественным формированием сварного соединения, и в каких случаях происходит плазменный пробой, приводящий к экранизации лазерного излучения СО2-лазеров.
При лазерной сварке сталей больших толщин скорость сварки может меняться в более узких пределах – от 1 до 5 м/мин. При этом необходимо интенсивность лазерного излучения обеспечивать в пределах (2–5)∙106 Вт/см2. Установлено, что сварочная каверна при лазерной сварке существует непрерывно в течение всего времени подачи лазерного излучения (рис.3) и никаких процессов ее схлопывания не происходит. Температура плазмы в сварочной каверне при сварке СО2-лазерами, замеренная на расстоянии 1 мм над поверхностью металла, достигает в Не-среде – 11 000К, в Аr-среде – 15 000К. На больших толщинах скорость сварки оказывает влияние на температуру плазмы не в такой мере, как при сварке малых толщин металла. Установлено, что попытки увеличить интенсивность лазерного излучения свыше (6–10)∙106 Вт/см2 приводят к активизации процесса поглощения лазерного излучения плазмой, разбрызгиванию жидкого металла из сварочной каверны и при росте температуры плазмы в каверне глубина проплавления металла уменьшается. Пороговой температурой плазмы каверны является величина примерно 16 000 – 22 000К. При этих температурах плазмы каверны процесс проплавления углеродистой стали прекращается. Сварочная каверна исчезает, плазма горит над поверхностью металла, и большая часть подведенной энергии лазера поглощается плазмой (рис.4). Следует отметить, что при воздействии на плазму каверны, которая выступает над свариваемой поверхностью металла примерно на 2–3 мм, тонкой струи газа, например Не, происходит охлаждение плазмы каверны не только в верхней части, но и по всему каналу каверны, так как скорость распространения температуры в плазме в режиме светового горения, возникающего при I = (0,1–10)∙106 Вт/см2, составляет 1–100 м/с. Вследствие этого плазма каверны активно охлаждается, она становится более прозрачной для луча, и процесс сварки протекает с более глубоким проплавлением. Но важно при этом не допускать кипения металла в сварочной каверне, которое приводит к его разбрызгиванию и ухудшению формирования сварного шва, появлению пор, подрезов и т.д.
На состояние плазмы при лазерной сварке существенное влияние оказывает химический состав стали или же марка металла. Например, при сварке меди хорошее формирование сварного шва происходит при интенсивности лазерного излучения свыше 107 Вт/см2. Плазма при этом не препятствует проплавлению и имеет ограниченные размеры и яркость. Это связано с тем, что медь активно отводит тепло, поэтому плазма в сварочной каверне активно охлаждается, при этом ее температура не превышает порогового значения. Сварные швы при сварке меди формируются очень узкими и с малой зоной термического влияния.
На прозрачность плазмы при сварке оказывает влияние и расход защитного газа (рис.5). Даже незначительное увеличение расхода защитного газа приводит к охлаждению плазмы не только над поверхностью металла, но и в сварочной каверне из-за огромных скоростей теплопередачи в плазме. Проплавляющая способность возрастает, что видно из рис.5б,г. При соблюдении оптимальных параметров лазерной сварки на СО2-лазерах успешно ведется процесс проплавления металла разной толщины с удовлетворительным формированием сварного шва и заданных параметров по геометрии (рис.6). Механические свойства таких сварных соединений представлены в таблице.
Лазерная сварка с применением оптоволоконных лазеров показывает некоторые отличия от лазерной сварки на СО2-лазерах. Это связано с длиной волны оптоволоконных лазеров, которая равна 1,07 мкм и, по-видимому, структурой излучения. Проведенные экспериментальные работы на оптоволоконных лазерах показывают, что лазерная сварка ведется с кинжальным проплавлением и также с образованием плазмы (рис.6). Однако наблюдается определенная разница, как в характере поведения плазмы, так и в формировании сварного шва.
Известно [3], что при длине волны лазерного излучения 1,07 мкм плазма, сопровождающая сварочный процесс, имеет температуру в пределах 4 000–7 000К, а сама плазма более прозрачна для проходящего лазерного луча. Плазменных пробоев при этом пока обнаружено не было и большая часть лазерного излучения идет на плавление металла. По-видимому, внутри сварочной каверны температура плазмы не намного выше, чем температура плазмы над поверхностью свариваемого металла. Вследствие этого металл от воздействия плазмы не так активно плавится, как при сварке СО2-лазерами. Следует отметить, что при сварке на оптоволоконных лазерах эффективность технологического процесса по глубине проплавления и скорости сварки выше.
Полученные результаты по сварке на мощностях оптоволоконных лазеров до 5 кВт позволяют успешно вести технологический процесс в течение длительного времени, с получением качественных сварных соединений. Однако на мощностях свыше 10 кВт на данном этапе исследований полученные экспериментальные данные позволили выявить ряд иных проблем. В частности, в отличие от сварки СО2-лазерами плазма при сварке оптоволоконными лазерами существенно в больших объемах формируется над свариваемой поверхностью металла и оказывает влияние на обслуживающий персонал и оборудование (рис.7). В связи с этим сварочные фокусирующие устройства, успешно применяемые на СО2-лазерах, не выдерживают работы более нескольких минут на оптоволоконных лазерах. Установлено, что охлаждаемое водой устройство, фокусирующие лазерное излучение, и сопло, подающее газ для защиты сварного шва от окисления, перегреваются через короткое время, и процесс сварки приходится останавливать. Попытки сдува плазмы струей воздуха не приводят к существенному улучшению ситуации.
Сварочная каверна и ванна по всем признакам формируются одинаково, что и при сварке на СО2-лазерах [4,5]. Однако экспериментальные данные показывают, что металл в сварочной каверне перегревается до кипения (рис.8), и его капли выбрасываются на поверхность свариваемого металла. Сварной шов (рис.9) при сварке на оптоволоконных лазерах формируется очень узким, а следовательно, скорость охлаждения металла шва будет очень высокой на различных этапах кристаллизации металла, что на сталях, склонных к закалке, приведет к ухудшению технологической прочности металла шва и околошовной зоны. Практика показывает, что механические свойства также не будут уступать свойствам основного металла, особенно ударная вязкость и угол загиба.
Литература
Грезев А.Н. Плазмообразование при лазерной сварке с глубоким проплавлением. – Сварочное производство, 2005, № 5, с. 20–25.
Grezev A.N. Plasma formation in laser welding. – Welding International, − 2005, v.19, № 10, p. 808−813.
Щеглов П.Ю., Успенский С.А., Петровский В.Н. и др. Исследование паро-плазменного факела при сваке мощным волоконным лазером. – В кн.: Сборник научных трудов конференции "Научная сессия МИФИ-2011", 2011, т.2, с. 90.
Грезев А.Н. Формирование парогазового канала и перенос жидкого металла из каверны в сварочную ванну при лазерной сварке. – Сварочное производство, 2005, № 6, с. 13–17.
Grezev A.N. Formation of the vapour−gas channel in the weld pool in laser welding. – Welding International, 2005, v.19, № 11, p. 906−910.
Лазерная сварка металлов также занимает достойное место в различных производственных отраслях. Отработаны, например, технологические процессы сварки шестерен коробки передач автомобилей ЗИЛ и ВАЗ, изготавливаемых из сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ (рис.1). При этом достоинства лазерной сварки как прецизионного процесса были подтверждены замерами, которые показали практически нулевые остаточные послесварочные отклонения размеров от заданных значений в чертежах на шестерни. Показатели механических свойств сварных соединений находились на уровне основного металла. Данная технология внедрена на ОАО "АВТОВАЗ" в 1992 году, с момента начала поставки лазерного оборудования.
Другим важнейшим направлением эффективного применения лазерной технологии является сварка нержавеющих труб (рис.2), которая позволила увеличить производительность сварки в 10 раз по сравнению с аргонодуговой сваркой. Результаты испытаний лазерных сварных соединений на сталях 08Х18Н10Т, 08Х18Т1, 08Х18Н10 по механическим показателям и коррозионной стойкости находились на уровне основного металла. Данная технология внедрена на Новомосковском трубном заводе Днепропетровской области.
Однако лазерная сварка металлов толщиной от 12 до 100 мм, выполняемая на лазерах мощностью в несколько десятков киловатт, до настоящего времени сопровождается проблемами в работе. Это связано, прежде всего, с недостаточной изученностью физических процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с газовой средой, возникающей при сварке, и с жидким металлом сварочной ванны.
Преимущества лазерной сварки больших толщин в сопоставлении с дуговой сваркой под флюсом и электрошлаковой сваркой очевидны. Лазерная сварка выполняется без разделки кромок, за один проход на всю свариваемую толщину, без применения дорогостоящих флюсов, без большого потребления присадочной проволоки. Свойства лазерных сварных соединений, как показывает практика сварки малых толщин (≤10 мм), обычно находятся на уровне основного металла. В связи с этим результаты исследований по лазерной сварке сталей толщиной от 12 до 50 мм интересуют многих специалистов. Полученные результаты исследований позволяют оптимизировать плазменные процессы, сопровождающие лазерную сварку, а также металлургическое взаимодействие, происходящее между лучом лазера и расплавом в сварочной каверне, как на СО2-лазерах, так и на оптоволоконных лазерах производства IPG НТО "ИРЕ-Полюс".
Установлено, что при лазерной сварке белой жести при интенсивности лазерного излучения 2∙106 Вт/см2 удалось достичь скорости сварки Vсв. = 20 м/мин. При этом с увеличением скорости сварки более 10 м/мин наблюдалось уменьшение размеров плазмы над сварочной каверной, а на скорости сварки свыше 20 м/мин стабильность формирования сварного шва стала неустойчивой. При скорости сварки 25–27 м/мин периодически стало наблюдаться исчезновение свечения плазмы. И в местах ее исчезновения прекращались и плавление металла, и формирование сварного шва. Увеличение интенсивности выше 107 Вт/см2 позволило довести скорость сварки до 60 м/мин. Эти данные еще раз подчеркивают, что варьированием скорости сварки можно воздействовать на температуру плазмы и обеспечивать наиболее эффективное использование энергии лазерного излучения на плавление металла, минуя его поглощение и рассеивание плазмой. В работах [1, 2] достаточно полно представлены условия, при которых лазерная сварка протекает стабильно с качественным формированием сварного соединения, и в каких случаях происходит плазменный пробой, приводящий к экранизации лазерного излучения СО2-лазеров.
При лазерной сварке сталей больших толщин скорость сварки может меняться в более узких пределах – от 1 до 5 м/мин. При этом необходимо интенсивность лазерного излучения обеспечивать в пределах (2–5)∙106 Вт/см2. Установлено, что сварочная каверна при лазерной сварке существует непрерывно в течение всего времени подачи лазерного излучения (рис.3) и никаких процессов ее схлопывания не происходит. Температура плазмы в сварочной каверне при сварке СО2-лазерами, замеренная на расстоянии 1 мм над поверхностью металла, достигает в Не-среде – 11 000К, в Аr-среде – 15 000К. На больших толщинах скорость сварки оказывает влияние на температуру плазмы не в такой мере, как при сварке малых толщин металла. Установлено, что попытки увеличить интенсивность лазерного излучения свыше (6–10)∙106 Вт/см2 приводят к активизации процесса поглощения лазерного излучения плазмой, разбрызгиванию жидкого металла из сварочной каверны и при росте температуры плазмы в каверне глубина проплавления металла уменьшается. Пороговой температурой плазмы каверны является величина примерно 16 000 – 22 000К. При этих температурах плазмы каверны процесс проплавления углеродистой стали прекращается. Сварочная каверна исчезает, плазма горит над поверхностью металла, и большая часть подведенной энергии лазера поглощается плазмой (рис.4). Следует отметить, что при воздействии на плазму каверны, которая выступает над свариваемой поверхностью металла примерно на 2–3 мм, тонкой струи газа, например Не, происходит охлаждение плазмы каверны не только в верхней части, но и по всему каналу каверны, так как скорость распространения температуры в плазме в режиме светового горения, возникающего при I = (0,1–10)∙106 Вт/см2, составляет 1–100 м/с. Вследствие этого плазма каверны активно охлаждается, она становится более прозрачной для луча, и процесс сварки протекает с более глубоким проплавлением. Но важно при этом не допускать кипения металла в сварочной каверне, которое приводит к его разбрызгиванию и ухудшению формирования сварного шва, появлению пор, подрезов и т.д.
На состояние плазмы при лазерной сварке существенное влияние оказывает химический состав стали или же марка металла. Например, при сварке меди хорошее формирование сварного шва происходит при интенсивности лазерного излучения свыше 107 Вт/см2. Плазма при этом не препятствует проплавлению и имеет ограниченные размеры и яркость. Это связано с тем, что медь активно отводит тепло, поэтому плазма в сварочной каверне активно охлаждается, при этом ее температура не превышает порогового значения. Сварные швы при сварке меди формируются очень узкими и с малой зоной термического влияния.
На прозрачность плазмы при сварке оказывает влияние и расход защитного газа (рис.5). Даже незначительное увеличение расхода защитного газа приводит к охлаждению плазмы не только над поверхностью металла, но и в сварочной каверне из-за огромных скоростей теплопередачи в плазме. Проплавляющая способность возрастает, что видно из рис.5б,г. При соблюдении оптимальных параметров лазерной сварки на СО2-лазерах успешно ведется процесс проплавления металла разной толщины с удовлетворительным формированием сварного шва и заданных параметров по геометрии (рис.6). Механические свойства таких сварных соединений представлены в таблице.
Лазерная сварка с применением оптоволоконных лазеров показывает некоторые отличия от лазерной сварки на СО2-лазерах. Это связано с длиной волны оптоволоконных лазеров, которая равна 1,07 мкм и, по-видимому, структурой излучения. Проведенные экспериментальные работы на оптоволоконных лазерах показывают, что лазерная сварка ведется с кинжальным проплавлением и также с образованием плазмы (рис.6). Однако наблюдается определенная разница, как в характере поведения плазмы, так и в формировании сварного шва.
Известно [3], что при длине волны лазерного излучения 1,07 мкм плазма, сопровождающая сварочный процесс, имеет температуру в пределах 4 000–7 000К, а сама плазма более прозрачна для проходящего лазерного луча. Плазменных пробоев при этом пока обнаружено не было и большая часть лазерного излучения идет на плавление металла. По-видимому, внутри сварочной каверны температура плазмы не намного выше, чем температура плазмы над поверхностью свариваемого металла. Вследствие этого металл от воздействия плазмы не так активно плавится, как при сварке СО2-лазерами. Следует отметить, что при сварке на оптоволоконных лазерах эффективность технологического процесса по глубине проплавления и скорости сварки выше.
Полученные результаты по сварке на мощностях оптоволоконных лазеров до 5 кВт позволяют успешно вести технологический процесс в течение длительного времени, с получением качественных сварных соединений. Однако на мощностях свыше 10 кВт на данном этапе исследований полученные экспериментальные данные позволили выявить ряд иных проблем. В частности, в отличие от сварки СО2-лазерами плазма при сварке оптоволоконными лазерами существенно в больших объемах формируется над свариваемой поверхностью металла и оказывает влияние на обслуживающий персонал и оборудование (рис.7). В связи с этим сварочные фокусирующие устройства, успешно применяемые на СО2-лазерах, не выдерживают работы более нескольких минут на оптоволоконных лазерах. Установлено, что охлаждаемое водой устройство, фокусирующие лазерное излучение, и сопло, подающее газ для защиты сварного шва от окисления, перегреваются через короткое время, и процесс сварки приходится останавливать. Попытки сдува плазмы струей воздуха не приводят к существенному улучшению ситуации.
Сварочная каверна и ванна по всем признакам формируются одинаково, что и при сварке на СО2-лазерах [4,5]. Однако экспериментальные данные показывают, что металл в сварочной каверне перегревается до кипения (рис.8), и его капли выбрасываются на поверхность свариваемого металла. Сварной шов (рис.9) при сварке на оптоволоконных лазерах формируется очень узким, а следовательно, скорость охлаждения металла шва будет очень высокой на различных этапах кристаллизации металла, что на сталях, склонных к закалке, приведет к ухудшению технологической прочности металла шва и околошовной зоны. Практика показывает, что механические свойства также не будут уступать свойствам основного металла, особенно ударная вязкость и угол загиба.
Литература
Грезев А.Н. Плазмообразование при лазерной сварке с глубоким проплавлением. – Сварочное производство, 2005, № 5, с. 20–25.
Grezev A.N. Plasma formation in laser welding. – Welding International, − 2005, v.19, № 10, p. 808−813.
Щеглов П.Ю., Успенский С.А., Петровский В.Н. и др. Исследование паро-плазменного факела при сваке мощным волоконным лазером. – В кн.: Сборник научных трудов конференции "Научная сессия МИФИ-2011", 2011, т.2, с. 90.
Грезев А.Н. Формирование парогазового канала и перенос жидкого металла из каверны в сварочную ванну при лазерной сварке. – Сварочное производство, 2005, № 6, с. 13–17.
Grezev A.N. Formation of the vapour−gas channel in the weld pool in laser welding. – Welding International, 2005, v.19, № 11, p. 906−910.
Отзывы читателей
